浅谈工业设计中常用管架结构形式

浅谈工业设计中常用管架结构形式

管架是工业厂房中支撑管道的主要结构，量大面广，它分布并联系着整个厂区的各个装置。所以，对管架结构的设计应该从“技术先进、经济合理、安全可靠、美观实用”的原则出发，力求减少重复劳动量，优先采用标准化设计或现有通用图集。同时，设计管架时，应与工艺与管道等专业共同商讨，合理确定管架的平面布置、立面高度和跨度。力争达到较好的经济、实用和美观的效果。

一、管架的选型

管架的选型应根据所设计厂房的规模、建设周期、甲方可控的工程造价、当地现有施工条件，并结合设计中管道布置、不同形式管架结构的受力特点等综合比较后确定。一般管廊式管架有三种结构形式：钢结构管架、混凝土结构管架、混凝土结构与钢结构混合式管架。

1、钢结构管架：材料多采用h型钢、无缝圆钢管等钢结构。结构形式多为桁架式、纵梁式。由于支撑管道、管线较多，并适应改建、扩建的需要，且钢结构管架建设周期短、外观轻巧美观，所以近年来应用广泛。钢结构管架的缺点是：后期防火、防腐等维护的费用较高，所以造价高；横向刚度较小，需要设置横向支撑，在固定管架处，若横向推力较大，道路或工艺不容许设置横向支撑，则管架柱的截面比较大。

2、混凝土结构管架：混凝土结构管架整体造价比较低，建成后几乎无维护费用。横向框架为整体现浇式，则横向刚度大，且混凝土材料本省耐腐蚀性能好。缺点是：施工、建设周期长，且改、扩建能力差。所以全混凝土管廊式管架现在应用不多。

3、混凝土结构与钢结构混合式管架：即横向采用混凝土结构、纵向联系构件采用钢梁或钢桁架的结构形式。此种结构形式的优点为：横向刚度大、管架柱耐腐蚀性能好；且一定的钢结构施工便捷、建设周期短，整体造价介于钢结构域混凝土结构之间。此种形式的管架目前应用比较广泛。缺点是：由于大中型厂区内管线较多、管架较高。多为2层，甚至3或4层。此种管架形式横向混凝土结构施工时现浇需要高支模，施工较为不便，且混凝土柱侧面预留用于纵向联系构件及柱间支撑的埋件较多，埋件的制作及施工，容易造成遗漏。

目前结构设计中还有一种混合结构形式：即横向框架下部采用现浇混凝土框架结构，上部采用钢框架结构，纵向采用空腹桁架代替钢纵梁。此种结构形式下部为混凝土结构，防火防腐维护费用低，且横向刚度大；由于混凝土柱高度有限，不用高支模，且上部为钢结构，直接与纵向联系构件相连，柱侧无埋件；纵向空腹桁架为工厂预制，施工安装方便；另外纵向联系构件采用空腹桁架代替钢纵梁，截面更加经济合理，进一步降低造价，且外形轻巧简洁、美观大方。

二、管架的受力特征

下面对全钢结构管架，即横向钢框架，纵向钢梁的管架（简称ⅰ型）、横向混凝土框架，纵向钢梁的管架（简称ⅱ型）、横向下部混凝土框架，上部钢框架，纵向空腹桁架的管架（简称ⅲ型）三种管架在结构形式、结构受力及施工安装上进行详细比较。

三种管架均按相同横向及纵向进行布置，按项目中最普遍的布置，取横向跨度5米，纵向柱距9米，每3米布置一个中间横梁，并设置水平支撑。由于纵向温度区段、固定管架布置、柱间支撑布置均相同，在此只取一个柱距为计算单元。结构形式如下图：

2.1、结构受力特性对比

表-1 三种形式管架力学特性对比

2.1.1、横向受力特点

横向管架受侧向荷载后，其弯矩图如图-6。从图中可以看出，下层柱和第一层梁所受弯矩较大，而上层柱和上层梁弯矩很小。三种管架横向抗侧移刚度见表-1，从表中可以看出，ⅲ型管架横向抗侧移刚度最大，ⅱ型其次，ⅰ型最小，仅为ⅱ型的1/3 ，ⅲ型的1/4。ⅱ型、ⅲ型采用混凝土现浇框架抵抗侧向荷载，整体性好，侧向刚度大，而ⅰ型横向采用钢结构抵抗侧向荷载，同ⅱ型、ⅲ型比较，侧向刚度小很多。ⅰ型管架下部刚度不足，ⅱ型管架上部刚度过度，而ⅲ型管架横向下部为刚度较大的混凝土框架，上部为刚度较小的钢框架，与弯矩图分布一致，符合这一受力特点。

图-6 管架横向受力特点

2.1.2、 纵向受力特点

纵向联系梁为拉弯或压弯构件，其跨度一般较大，因而其截面一般不由强度控制，而由竖向挠度控制（1/400），为了将挠度控制在1/400以内，通常其截面会比较大。采用空腹桁架这种结构形式后，改变了其传力路径，上弦为小偏心压弯构件，计算长度为3米，腹杆及下弦杆均为轴心受力构件，截面利用率更高，受力更合理。从表-1中可以看出，ⅰ型、ⅱ型纵向联系构件均为钢纵梁，其竖向刚度相同，ⅲ型纵向联系构件采用空腹桁架，其竖向刚度大幅增加，是前者的5.6倍之多，此时挠度不起控制作用，将由截面材料强度起控制作用，达到了充分利用材料强度的目的。

2.2、施工安装对比

三种管架形式的施工、制做、安装方式如表-3。从表中可以看出，ⅰ型无混凝土工程（由于三种结构形式基础是一样的，在此只讨论上部结构），钢柱钢梁工厂预制，现场只需完成横向纵向钢柱钢梁的组装，施工速度快，周期短。ⅱ型纵向钢梁在工厂预制，横向混凝土框架需现场浇筑，由于混凝土柱比较高，属高支模，需要方案审批。纵向联系钢梁待混凝土达到强度后方可安装，施工速度较慢. ⅲ型横向下部混凝土框架需现场浇筑，高度较低，不需高支模。横向钢框架、纵向空腹桁架均作为一个标准构件在工厂预制，大量的构件制作工作在工厂完成。上部钢柱与下部混凝土柱采用2颗螺栓铰接链接，纵向空腹桁架与横向钢框架采用普通焊接连接，没有梁柱连接节点，施工较为方便，其施工速度介于ⅰ型、ⅱ型之间

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3、结论

本文介绍了管架的选型原则，论述了工业建筑中管廊式管架三种结构形式的适用范围和优缺点。在此基础上，结合实际工程经验，提出了一种更为优化的钢与混凝土组合的结构形式，并在结构形式、受力特性、材料用量及施工安装各方面进行了对比，结论如下：ⅱ型管架其受力特性还要优于ⅰ型，缺点是柱侧埋件比较多，施工安装周期较ⅰ型长；ⅲ型管架横向刚度、纵梁竖向刚度均优于ⅱ型，建设周期也比ⅱ型短；ⅲ型管架建设周期略长于ⅰ型。ⅲ管架达到了受力合理，安全可靠，安装方便快捷，外形简洁美观的目的，是一种值得推广的结构形式。